機械式攪拌發(fā)酵罐要求、原理及結構，一篇說清楚。

機械攪拌發(fā)酵罐是目前運用較多、應用較廣的通氣發(fā)酵設備，是發(fā)酵工廠最常用類型。也稱標準式或通用式發(fā)酵罐。

機械攪拌是目前容易達到混合及傳質效果的形式。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，并溶解在發(fā)酵液中，以保證微生物的生長繁殖所需要的氧氣。

發(fā)酵罐基本要求

①發(fā)酵罐應有適宜的高徑比。一般高度與直徑比為（1.7～4）∶1，高徑比越大，溶氧效果越好，氧的利用率越高。需注意高徑比越大，罐越高，對建筑成本影響。

②發(fā)酵罐要有適宜的設計壓力。目前大部分發(fā)酵罐設計壓力為0.3MPa，工作壓力為0.15MPa以下。

③攪拌器及內部結構有利于氧的溶解。發(fā)酵罐攪拌槳一般為多種攪拌槳組合，以達到最好的溶氧效果，發(fā)酵罐內部擋板、豎式列管等結構，使培養(yǎng)基在攪拌時形成湍流，增加攪拌效果。

④發(fā)酵罐要有良好的密封性。發(fā)酵罐對密封要求較高（特別是攪拌密封），各個接口及機械密封要滿足密封要求，盡量減少泄漏，減少培養(yǎng)時染菌的概率。

⑤發(fā)酵罐內部在設計時，要避免滅菌及攪拌死角。以簡單穩(wěn)固為主，防止罐內螺栓松動。

⑥發(fā)酵罐要易于操作及清洗。內表面進行鏡面拋光，減少培養(yǎng)基等附著，接口采用卡箍快接等方式，方便操作、清洗及檢修。

⑦發(fā)酵罐要有足夠的換熱面積。發(fā)酵罐在設計時，要計算換熱面積，有足夠的換熱面可以保證迅速升溫、降溫，保證滅菌時盡可能降低培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破壞以及發(fā)酵時溫度控制的準確性。

發(fā)酵罐工作原理

機械攪拌發(fā)酵罐主要利用機械攪拌槳的攪拌破碎作用、空氣分布器的分散作用，使通入的無菌空氣分散成小氣泡，與發(fā)酵液混合，促使氧氣在發(fā)酵液中的溶解，以保證微生物生長及生產產物所需的氧氣。

衡量發(fā)酵罐的優(yōu)良與否的2個基本指標是溶氧系數(shù)（KLa)的高低和傳遞1kg氧所耗功率的大小。

發(fā)酵罐通過加酸、加堿等使發(fā)酵液維持一定的pH；

通過夾套、盤管、蛇形列管等通冷卻水、熱水、蒸汽等使發(fā)酵液維持一定的溫度；

通過罐體滅菌、除菌過濾器過濾、保持密封、罐內保持正壓等使微生物發(fā)酵時保持嚴格的無菌條件。

通過控制通氣量、溶氧、攪拌轉速、罐壓、pH、溫度、補料、菌體密度、尾氣檢測等參數(shù)確保發(fā)酵處于最佳狀態(tài)。

主要結構

發(fā)酵罐的主要結構包括：罐體、攪拌器、擋板、空氣分布裝置、機械密封、換熱裝置、傳感器接口、附屬結構等，如圖所示。

（1）罐體

發(fā)酵罐由圓柱形直筒體和橢圓形或蝶形上下封頭連接而成。

公稱容積（下封頭和筒體容積）1m3及以下發(fā)酵罐上封頭與直筒體采用法蘭連接，設有手孔進行加料、清洗等，若要對發(fā)酵罐內部進行檢修，需要將上封頭打開；

公稱容積1m3以上發(fā)酵罐上封頭與罐體直接焊接，設有人孔，可以進行加料、清洗、進罐檢修等。

在罐頂上接口：人孔、補料口、排氣口、壓力表接口、接種口等。

在罐身上接口：進氣口、移種口、取樣口、出料口、各種傳感器接口、循環(huán)水進出口等。

常用的機械通氣攪拌發(fā)酵罐的結構和主要尺寸已經標準化，根據(jù)發(fā)酵罐大小及用途可以分為多種。主要分為三級，實驗室規(guī)模，中試規(guī)模，生產規(guī)模。

實驗室規(guī)模的有1，3，5，10，20，30L發(fā)酵罐；

中試規(guī)模的有50，100，200，300，500L和1，2，3m3 發(fā)酵罐；

生產規(guī)模的有5，10，20，50，100，200m3發(fā)酵罐。（一般分法，不絕對。）

我們可以根據(jù)需要進行發(fā)酵罐容積選擇。

通用型機械攪拌通風發(fā)酵罐幾何尺寸如下圖所示。

通用型發(fā)酵罐幾何尺寸

圖中H——發(fā)酵罐直筒體高度，m；

D——發(fā)酵罐直徑，m；

d——攪拌器直徑，m；

W——擋板寬度，m；

B——下攪拌器距罐底距離，m；

s——攪拌器間距，m。

常用的機械攪拌通風發(fā)酵罐的幾何比例：

H/D=1.7～3.5；

d/D=1/3～1/2； 

W/D=1/2～1/8；

= 1～2

（下面2， 3表示攪拌器的擋板數(shù)）

描述發(fā)酵罐大小有全容積和公稱容積。

全容積是發(fā)酵罐直筒體體積和上下封頭體積之和；

公稱容積（V0）是指罐體直筒體體積（Va）和下封頭體積（Vb）之和。現(xiàn)在一般說發(fā)酵罐大小說的全容積。

裝料系數(shù)為發(fā)酵罐裝液量與全容積的比值，一般發(fā)酵罐裝料系數(shù)為70%～80%。

在發(fā)酵罐培養(yǎng)過程中，若有較多泡沫產生，可以適當降低裝料系數(shù)；

對培養(yǎng)過程中泡沫較少、通氣量較小的發(fā)酵罐，可以適當提高裝料系數(shù)。

（2）攪拌器

機械攪拌器的主要功能是使物料混合、打碎氣泡、強化傳熱傳質。

機械攪拌器使發(fā)酵液中的固形物料保持懸浮狀態(tài)，從而維持氣-液-固三相的混合傳質；

使通入的空氣分散成小氣泡并與發(fā)酵液混合均勻，增加氣液接觸界面，提高氣液間的傳質速率，強化溶氧；

通過攪拌，使發(fā)酵罐各個部位溫度均勻，強化熱量的傳遞。

攪拌器葉輪攪拌時有軸向流、徑向流和切向流。

軸向流是流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再翻上，形成上下循環(huán)流，液體循環(huán)流量大，如圖（1）所示。

軸向流使液體在發(fā)酵罐內形成的總體流動為軸向的大循環(huán)，有利于宏觀混合，但湍動程度不高。主要槳葉形式有槳葉式和旋槳式攪拌槳。

徑向流是流體流動的方向垂直于攪拌軸，沿發(fā)酵罐半徑方向在攪拌器和內壁間流動，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個循環(huán)流動，如圖（2）所示。

徑向流使液體在發(fā)酵罐內總體流動較復雜，液體剪切作用大，有利于氣泡的破碎，但容易造成微生物細胞的損壞。主要槳葉形式有渦輪式攪拌槳。

切向流是指無擋板的容器內，流體繞軸做旋轉運動，流體在離心力作用下涌向器壁，中心部分液面下降，形成一個大漩渦，如下圖所示。

嚴重時可使攪拌器不能全部浸沒于發(fā)酵液中，使攪拌功率顯著下降。

目前發(fā)酵罐用得最多的是渦輪式攪拌槳，如下圖所示，分為平直葉渦輪攪拌槳、彎葉渦輪攪拌槳、箭葉渦輪攪拌槳等。攪拌槳葉片一般為6片。

（3）擋板 

擋板的作用是為改變流體的方向，將切向流改為軸向流，使攪拌時產生湍流，防止產生漩渦，增大溶氧量，提高傳質、傳熱效果，提高攪拌效率。

擋板的上部要在液面以上，下部伸至罐體底部，與封頭平齊。

擋板寬度一般為（0.1～0.12）D。（D是發(fā)酵罐直徑）

裝設4～6片擋板，可滿足全擋板條件，所謂“全擋板條件”指在發(fā)酵罐內再增加擋板以及其他可起到擋板作用的附件時，攪拌功率不變，漩渦基本消失。

擋板的安裝有幾個特點：

擋板與罐壁之間有間隙，可有效防止罐壁與擋板之間存在清洗及滅菌死角；

擋板可拆卸，方便檢修；

擋板在最外部加工成與液體流動方向的彎曲，可有效增加擋板強度，且減少液體對擋板外部的摩擦；

在10m3及以上的發(fā)酵罐，列管可以代替擋板。

（4）機械密封 

在機械攪拌發(fā)酵罐中，除了磁力攪拌不需將攪拌軸伸出發(fā)酵罐，其余均需將攪拌軸伸出發(fā)酵罐，然后由電機帶動旋轉，在攪拌軸伸出罐體部位，就需要有機械密封防止泄漏。

機械密封可分為填料函式機械密封和端面機械密封，端面機械密封根據(jù)密封端面的數(shù)量可分為單端面機械密封和雙端面機械密封。

填料函式機械密封由填料箱體、填料底襯套、填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構成，如圖7-6所示。

填料函式是在填料腔內加入填料，通過壓蓋和壓緊螺栓壓緊后，使填料與軸之間緊密接觸，達到密封的目的。

填料函式機械密封優(yōu)點是價格便宜，結構簡單，檢修方便，對軸加工精度要求低，對軸磨損小。

缺點是死角多，很難徹底滅菌；使用壽命短、泄漏量大，密封效果差，易染菌，維修頻繁，在發(fā)酵罐中已經很少使用。

根據(jù)發(fā)酵罐的使用溫度和壓力范圍，目前用得最多的是單端面機械密封，如圖所示。

常用的單端面機械密封結構

單端面式機械密封的端面由軟硬不同的兩種材質制成，分別為動環(huán)和靜環(huán)。

靜環(huán)是固定在發(fā)酵罐上，不旋轉的端面，通過密封墊與發(fā)酵罐機械密封底座緊密貼合，確保靜環(huán)與發(fā)酵罐接觸部位無泄漏。

動環(huán)套在軸上，內部有密封墊與軸緊密貼合，可防止動環(huán)與軸之間有泄漏。動環(huán)上部彈簧將動環(huán)向靜環(huán)方向壓緊，使動環(huán)光滑端面與靜環(huán)光滑端面緊密接觸，達到密封的目的。

單端面機械密封在安裝前后均需要好好保護，保證接觸面光潔。安裝時，盡量避免動環(huán)和靜環(huán)傾斜。

小型機械密封一般安裝在罐體內，此種類型盡量選用結構簡單、死角少的機械密封；稍大型的機械密封均安裝在發(fā)酵罐外，易于固定和進行調節(jié)、維護。

（5）空氣分布裝置 

空氣分布裝置的主要作用是吹入無菌空氣，使通入發(fā)酵罐中的無菌空氣分散成小氣泡，以便在發(fā)酵液中溶解更充分，有利于菌體生長。

空氣分布裝置常用的形式有單管式和環(huán)形管式，如圖所示。

環(huán)形管式和單管式空氣分布器

單管式空氣管伸至底部攪拌槳下部，開口向下，可保證管內不積料，無死角，同時空氣向下吹，可將罐底物料向上吹起，氣泡經過攪拌槳進一步打碎，可起到較好的溶氧效果。出氣口底部距罐底距離根據(jù)罐體大小略有不同。

環(huán)形管式是在空氣管尾部焊一個環(huán)形管，環(huán)形管一般為封閉圓形或不封閉圓形，環(huán)形管底部和側面開一些小孔，所有小孔截面積之和約等于進氣管截面積。

環(huán)形管式分布器一般用于容積較小的發(fā)酵罐。較小容積發(fā)酵罐受容積限制，高度較小，空氣在發(fā)酵液中停留時間較短，故通過空氣環(huán)形分布器將空氣變成較小氣泡，有利于提高溶氧。單管式用于較大型發(fā)酵罐。

（6）換熱裝置 

發(fā)酵罐需要滅菌、控溫，就需要換熱裝置。用于發(fā)酵罐的換熱裝置主要有夾套、盤管、豎式蛇管和豎式列管。

體積在5m3及以下的發(fā)酵罐一般用夾套，5m3以上可用盤管、豎式蛇管或豎式列管等。

夾套上部高度超過發(fā)酵液液面即可，無需計算。夾套有進口和出口。控溫時冷卻水或熱水從夾套低位進入，高位排出，如圖7-9所示；

夾套換熱裝置及熱交換示意圖

滅菌預熱時蒸汽從夾套高位進入，冷凝水從夾套低位排出。

夾套優(yōu)點：結構簡單，制作方便；罐內無冷卻裝置，可有效減少死角，容易進行罐體清洗、滅菌。

缺點是冷卻水流速低，換熱不均勻，發(fā)酵時換熱效率相對較低。

盤管是在發(fā)酵罐內一種呈螺旋狀的不銹鋼管道系統(tǒng)，有進口和出口，換熱效率較高。如下圖（1）。

如圖（2）所示，發(fā)酵罐每組豎式蛇管由許多豎式不銹鋼管組成，不銹鋼管上下之間通過180°彎頭串聯(lián)焊接，最終變成一進一出的一組豎式蛇管。

一般四組、六組或八組，具體數(shù)量及管徑根據(jù)罐體大小及換熱要求確定。

豎式蛇管較夾套具有換熱效率高，換熱面積大，換熱介質無短路問題。且蛇管耐壓大，可以用相對高壓的換熱介質，提高換熱效率。

豎式蛇管還可以起到擋板的作用，在發(fā)酵罐內無需再裝擋板。

但蛇管焊接制造相對復雜，焊縫較多，焊縫泄漏概率相對較大，有泄露修補困難。

如圖（3）所示，發(fā)酵罐每組豎式列管由多根豎式不銹鋼管組成，不銹鋼管之間通過一根進水管和排水管并聯(lián)焊接，最終變成一進一出的一組豎式列管。

具體數(shù)量及管徑根據(jù)罐體大小及換熱要求確定。

豎式列管加工簡單，換熱介質有短路問題，換熱效率較豎式蛇管低。豎式蛇管也可以起到擋板的作用，在發(fā)酵罐內無需再裝擋板。

（7）消泡裝置

由于發(fā)酵液中有蛋白質等易于發(fā)泡的物質，在發(fā)酵過程中的通氣和攪拌作用下，可產生較多泡沫，泡沫太多會從發(fā)酵罐排氣口排出，造成跑液，也增大了發(fā)酵過程中的染菌概率。

發(fā)酵罐消泡裝置是物理消除發(fā)酵過程中產生的泡沫的裝置，目前主要用的消泡裝置是消泡槳。（因消泡槳作用有限，很多發(fā)酵罐已取消。）

消泡槳是用物理方法將氣泡打碎，主要有蛇形、鋸齒形和耙齒形，如圖所示。

消泡槳安裝在攪拌軸較上部位，隨攪拌軸一起旋轉，在泡沫達到消泡槳位置時，消泡槳可將泡沫打碎。

總結

隨著生物技術的發(fā)展和工業(yè)發(fā)酵需求的不斷增長，機械攪拌發(fā)酵罐的設計和應用也在不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。

目前，通過精確控制發(fā)酵過程中的關鍵參數(shù)，如pH、溫度、溶氧、攪拌轉速等，可以顯著提高微生物的代謝效率和產物的產量。這些參數(shù)控制也隨著在線檢驗設備發(fā)展，更為穩(wěn)定準確。

發(fā)酵罐的結構將根據(jù)發(fā)酵菌的特點，結合本文發(fā)酵罐原理及結構，進性定制化制作，以滿足我們不同發(fā)酵條件的需求。

此外，發(fā)酵罐的自動化和智能化控制系統(tǒng)為實現(xiàn)更精確的過程控制提供了可能，由中控系統(tǒng)進行參數(shù)控制，只需設置好所需風量、溫度、pH、補料速度等由系統(tǒng)自動控制調節(jié)，這些技術進一步推動了發(fā)酵工藝的現(xiàn)代化和高效化。